Выравнивание распределения напряжения по обмотке

трансформатора

При падении на трансформатор волны с крутым фронтом (импульсного напряжения) его схема замещения в первый момент времени может быть представлена продольными емкостями К витков обмотки и емкостями обмотки С₁ по отношению к земле. Распределение напряжения по обмотке трансформатора при этом будет очень неравномерным. В результате возникновения переходных электромагнитных процессов в трансформаторе максимальные перенапряжения в обмотке относительно земли могут превышать напряжение падающей волны, а градиенты (междувитковые напряжения) могут быть в несколько раз выше, чем в рабочем режиме. Для выравнивания начального распределения напряжения в трансформаторах выполняют специальную внутреннюю защиту. Одним из способов такой защиты является установка емкостного экрана, электрически соединенного с началом обмотки трансформатора. Экран создает емкости С₂ между витками или катушками обмотки и ее началом – линейным электродом. Ток, подтекающий по емкостям С₂, создаваемый экраном, компенсирует оттекающие через С₁ токи.

Для получения равномерного распределения напряжения необходимо, чтобы ток i_2i, подтекающий к узлу со стороны экрана, был равен току i_1i, оттекающему на землю:

;

.

Решая эту систему уравнений, получим, что емкости должны выбираться по закону

. (1)

Можно достичь более равномерного распределения напряжения за счет увеличения продольной емкости К. Продольные токи при возрастают и влияние оттекающих через емкости С₁ токов уменьшается. Увеличение продольных емкостей К в начале обмотки осуществляется за счет применения незамкнутого емкостного кольца в начале обмотки или специальных типов обмоток, например, петлевых обмоток.

Распределение напряжения на выходе стержня из

паза вращающейся машины

Один из методов выравнивания распределения напряжения состоит в покрытии стержня на выходе из паза полупроводящими покрытиями – лентами, содержащими железо или медь. Активное сопротивление покрытия шунтирует продольные емкости К (рис.3.2), или при правильном подборе сопротивлений возможно выравнивание распределения напряжения.

Рис. 3.2. Схема замещения электрического поля

на выходе стержня из паза электрической машины

Обозначим через Zk× i_к=Z_к+1× i_к+1; i_к= i_к+1+U(1-k/n)×wС₂; i_к+1= U/n× Z_k+1.

Откуда:

; (2)

. (3)

Порядок расчета

1. По величине сопротивления R₆ (задается преподавателем) и емкости К= 2 мкФ рассчитать Z_к.

2. По формуле (2) определить сопротивления Z₁¸Z₅..

3. По формуле (3) рассчитать R₁¸R₅.

Описание установки

Установка (рис.3.3) состоит из групп конденсаторов К, С₁ и С₂ и резисторов R. Предусмотрена возможность включения и отключения отдельных элементов, а также изменение величин C₂ и R.. Питание стенда производится от понижающего трансформатора 220/127 В.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

Измерение распределения напряжения по гирлянде изоляторов производится измерительной штангой на установке с использованием ИОМ-100.

Проведение эксперимента

Измерить распределение напряжения по цепочке емкостей для режимов работы установки, представленных в табл. 3.1 при R=¥.

Таблица 3.1

№ элем. К	К= 2 мкФ С1=0 С2=0	К= 2 мкФ С1=1 мкФ С2=0	К= 2 мкФ С1=0 С2=0.5 мкФ	К= 2 мкФ С1=1 мкФ С2=0.5 мкФ	К= 2 мкФ К5=К6=4 мкФ С1=1 мкФ С2=0
Напряжение на конденсаторах
	В	%	В	%	В	%	В	%	В	%

Определить по формуле (1) величины емкостей компенсационного экрана в трансформаторе С₂ при условии C₁=1 мкФ; n=6; К=2 мкФ. По расчетным данным собрать схему установки и измерить напряжения на продольных емкостях (табл. 3.2).

Таблица 3.2

К
С2, мкФ UК, В UК, %

Рассчитать величины шунтирующих сопротивлений для выравнивания распределения напряжения по поверхности стержня генератора. Величина R₆ задается преподавателем. Установить полученные значения R на схеме установки и проверить распределения напряжения DU_к (табл.3.3).

Таблица 3.3

К
Zк, Ом Rк, Ом DUк, В

Подать напряжение U_ф=50 кВ от ИСМ-100 на гирлянды изоляторов. С помощью измерительной штанги определить распределение напряжения по гирляндам изоляторов (табл.3.4). Нумерация элементов гирлянды изоляторов производится от траверсы.

Таблица 3.4

Напряжение на элементе кВ, U

Номер гирлянды

№ 1

№ 2 (с арматурой)

№3

Обработка результатов

По данным табл. 1 построить графики DU_к=f(К) на одном рисунке, по данным табл. 2.3, построить графики DU_к=f(К) так же на одном рисунке и по данным табл.4 графики U=f(n), где n – номер элемента гирлянды.

Оформление отчета

В отчете должна быть указана цель работы, представлены схемы рис. 3.1-3.3, табл. 3.1-3.3; графики DU_к=f(К) и U=f(n).

Отчет должен содержать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Объяснить, почему необходимо стремиться к более равномерному распределению напряжения по изоляционной конструкции?

2. Каково назначение специальной арматуры (кольца, восьмерки, овалы), укрепляемой на гирлянде изоляторов со стороны провода?

3. Как влияет величина последовательно включенных емкостей на распределение напряжения по цепочке емкостей?

4. Как влияет величина параллельно включенных емкостей на распределение напряжения по цепочке емкостей?

5. Как производится выравнивание начального распределения напряжения по обмотке трансформатора при падении на нее волны перенапряжений с крутым фронтом?

6. Как выравнивается распределение рабочего напряжения на выходе стержня обмотки из паза электрической машины высокого напряжения?

Лабораторная работа 4

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА ЯВЛЕНИИ АБСОРБЦИИ ЗАРЯДОВ

Цель работы: изучение методов контроля изоляции по сопротивлению утечки и по емкостным характеристикам, изучение мегаомметра и прибора контроля влажности.

Теоретические сведения

Изоляция электроустановок высокого напряжения состоит, как правило, из нескольких диэлектриков с различными диэлектрическими проницаемостями e и удельными объемными сопротивлениями r. В результате изоляция уже в силу конструктивных особенностей является неоднородной. При воздействии электрического поля в неоднородной изоляции происходит относительно медленная миграционная поляризация(миграция – перемещение), которая в отличие от других видов поляризации обусловлена перемещением не связанных, а свободных зарядов. Вследствие миграционной поляризации на границах слоев различных диэлектриков образуются заряды абсорбции. С процессами накопления и растекания зарядов абсорбции связаны некоторые характерные явления, которые используются для контроля состояния изоляции. В простейшем случае неоднородная изоляция состоит из двух слоев, каждый из которых характеризуется своими удельным объемным сопротивлением и диэлектрической проницаемостью (рис. 4.1,а). Схема замещения показана на рис. 4.1,б,в, где и сопротивления утечки в установившемся режиме: и - емкости слоев; S – площадь электродов.

При воздействии на изоляцию постоянного напряжения U в установившемся режиме заряд на границе слоев, т.е. заряд абсорбции, будет равен:

(4.1)

Из этого выражения следует, что ¹0 при условии или .

Для анализа явлений в неоднородной изоляции иногда применяют схему замещения по рис.4.1,в, для которой - сопротивление утечки всей изоляции в установившемся режиме;

- геометрическая емкость изоляции, определяемая лишь ее размерами и диэлектрическими проницаемостями слоев.

Рис. 4.1. Двухслойная изоляция (а) и схемы ее замещения (б) и (в)

В схеме рис. 4.1,в накопление заряда абсорбции происходит на емкости , включенной последовательно с сопротивлением . Полные сопротивления в схемах замещения 5.1,б и 5.1,в должны быть равны. Тогда

(4.2)

Из (4.2) следует, что в случае однородной изоляции, когда или , сопротивление , а емкость , т.е. схема замещения на рис. 4.1, в включает лишь и заряд абсорбции не образуется, что согласуется с (4.1).

Из схемы замещения на рис.4.1, в следует, что при подключении неоднородной изоляции к источнику постоянного напряжения ток в изоляции (без учета кратковременного тока заряда геометрической емкости ).

,

где . (4.3)

При этом изменяется и сопротивление изоляции:

(4.4)

Из (4.3) и (4.4) следует, что пределы и скорость изменения определяются всеми параметрами обоих слоев изоляции. Поэтому зависимость содержит ценную информацию о состоянии изоляции.

Для многих видов внутренней изоляции нормальному состоянию соответствует , т.е. определенная степень неоднородности. Например, для бумажно-масляной и маслонаполненной изоляции и пропитанной бумаги или картона больше, чем у масла. Неравенство справедливо и для всех видов изоляции вращающихся машин, содержащих слюду и пропитывающие компаунды. Для этих видов изоляции в нормальном состоянии характерны высокие значения и относительно малые скорости изменения во времени, т.е. большие значения постоянной времени Т.

При значительном увлажнении изоляции слоев резко падают, а увеличивается незначительно, не более чем на 5-10%. Вследствие этого величины и Т уменьшаются.

Различная способность материалов поглощать влагу приводит к неодинаковому изменению сопротивлений слоев изоляции. В результате при небольшом увлажнении различие между значениями слоев может уменьшиться, а при сильном увлажнении – даже измениться на обратное.

Принято измерять сопротивление изоляции через 15 и 60 с после подачи напряжения. Заключение о качестве изоляции делается по значениям и коэффициент абсорбции .

Для изоляции в нормальном режиме характерны высокие значения (не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения) и . В случае увлажнения значение резко падает, а значение приближается к 1.0. Последнее обстоятельство объясняется тем, что из-за незначительного уменьшения постоянной времени к 15 сек достигается значение , близкое к установившемуся.

В связи с тем, что сопротивление изоляционных материалов зависит от температуры, устанавливают различные нормы и для различных температур.

По сопротивлению (или току) утечки можно судить о наличии в изоляции не только распределенных, но и сосредоточенных дефектов. Например, механические повреждения в виде неполных проколов или поперечных трещин, а такие следы от незавершенных разрядов часто приводят к сильному снижению сопротивления изоляции.

Недостатком контроля изоляции по сопротивлению утечки является то, что в ряде случаев на результаты измерения сильное влияние могут оказывать утечки по поверхности твердых диэлектриков, которые не всегда правильно отражают состояние изоляции. Из схем замещения на рис. 4.1 следует, что емкость неоднородной изоляции зависит от частоты (рис. 4.2).

(4.5)

Увлажнение изоляции приводит к снижению сопротивлений слоев изоляции, а следовательно, к уменьшению постоянной времени и изменению хода зависимости . Поэтому по характеру зависимости (4.5) можно судить о степени увлажнения изоляции. Такой метод контроля используется для оценки степени увлажнения изоляции трансформаторов.

Рис. 4.2. Зависимость емкости неоднород-

ной изоляции от частоты

Обычно измеряют емкости при частотах 2 и 50 Гц, т.е. С₂ и С₅₀, а также и . Заключение о степени увлажнения изоляции делают по значению отношений С₂/С₅₀ или / .

По емкостным характеристикам наиболее эффективно выявляется увлажнение маслонаполненной изоляции. Поэтому приборы, определяющие емкостные характеристики, получили название ПКВ-приборов контроля влажности. Они используются для определения степени увлажнения изоляции силовых трансформаторов.

Опытным путем установлено, что отношение С₂/С₅₀ для нормальной изоляциитрансформаторов близко к единице, а / не превышает 0.1. Для увлажненной изоляции, требующей сушки, / >0.1, а С₂/С₅₀>1.2-1.3.

Описание установки

Сопротивление изоляции обычно измеряют переносными приборами – мегаомметрами (рис. 4.3). Источником постоянного напряжения служит гене
-

Рис. 4.3. Упрощенная схема мегаомметра

ратор Г с постоянными магнитами, имеющий ручной привод или привод с электродвигателем. Прибор для измерения сопротивления изоляции – логометр Л имеет расположение под углом рамки 1 и 2. Последовательно с рамками включены ограничительные резисторы R₁ и R₂. Ток i₁ в рамке 1 пропорционален напряжению, приложенному к изоляции.

Ток i₂ в рамке 2 определяется сопротивлением изоляции. Отклонение стрелки прибора пропорционально отношению i₂ / i₁. Поэтому мегаомметр измеряет сопротивление изоляции, а результат измерения не зависит от напряжения генератора. При измерениях важное значение имеет лишь стабильность этого напряжения. Если напряжение сильно колеблется (неравномерное вращение рукоятки генератора), то через мегаомметр протекает значительный емкостной ток, стрелка колеблется, и это затрудняет или даже делает невозможным измерения.

Для измерения С₂ , С₅₀, и используется прибор контроля влажности ПКВ-7. Измерения осуществляются методами «емкость-частота» или «емкость-время». Правила работы с ПКВ-7 изложены в имеющейся в лаборатории инструкции. В качестве объектов для испытаний используется проходной изолятор и масляный трансформатор.

Проведение эксперимента

Изучить инструкцию по работе с мегаомметром и произвести измерения сопротивлений изоляции изолятора и обмоток трансформатора.

Изучить инструкцию по работе с ПКВ-7 и произвести измерения емкостей С₅₀ и С₂ - С₅₀ для масляного трансформатора, а С₅₀ и для проходного изолятора.

Обработка результатов

По значениям и определить коэффициент абсорбции . Определение отношения С₂/С₅₀ производится по формуле:

Отношение / , измеренное прибором ПКВ-7, соответствует относительному приросту, определяемому с помощью прибора ЕВ.

Оформление отчета

В отчете должна быть указана цель работы, приведены схемы замещения двухслойной изоляции (рис. 4.1), расчетные выражения для сопротивления и емкости схемы замещения (4.2), графическая зависимость от частоты (рис. 4.2), схема замещения мегаомметра (рис.4.3), а также результаты опытов. Отчет должен завершаться выводами по работе.

Контрольные вопросы

1. Какие дефекты в изоляции могут быть обнаружены с помощью методов испытаний, изучаемых в настоящей работе?

2. Почему емкость изоляции зависит от частоты?

3. Что называется коэффициент абсорбции?

4. Как изменяется величина коэффициента абсорбции при увлажнении изоляции?

5. Как изменяются удельное объемное сопротивление и диэлектрическая проницаемость при увлажнении изоляции?

Литература

Техника высоких напряжений /Под ред. Д.В. Разевига. –М.: Энергия, 1976, § 10-6.

Лабораторные работы по технике высоких напряжений: Учебное пособие для вузов /М.А. Аронов, В.В. Базуткин, П.В. Борисоглебский и др. –М.: Энергоиздат, 1982, гл.7.